段寒風(fēng) 胥 悅 阮小龍 汪 杰 李 佳
(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610039; 2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000)
山地抗落石廊道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述
段寒風(fēng)1胥 悅1阮小龍2汪 杰2李 佳2
(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610039; 2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000)
針對(duì)地震災(zāi)害多發(fā)地區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,邊坡上的碎石、土塊滾落的情況進(jìn)行了分析,提出了使用邊坡防護(hù)加廊道抵抗的聯(lián)合系統(tǒng),闡述了保證山地地區(qū)道路行駛安全的措施,以預(yù)防落石造成的災(zāi)害。
落石,邊坡防護(hù),廊道,消能措施
中國(guó)西南地區(qū)山地較多,伴隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源的開發(fā),老舊的公路鐵路等交通道路已經(jīng)難以滿足需求,追求更加便利的交通必不可免,因?yàn)榈刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的原因,四川、云南等省份的許多地區(qū)地震災(zāi)害較為頻繁,除了導(dǎo)致直接的經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)損失之外,還造成該地區(qū)山地土石結(jié)構(gòu)的變化,從而導(dǎo)致一系列的地震次生災(zāi)害。因?yàn)榈卣鹪斐傻倪吰陆Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,山地區(qū)域的道路經(jīng)常要面臨附近邊坡上的碎石、土塊突然滾落的情況,由于重力加速度的作用,下落石接觸地面時(shí)速度很快,動(dòng)能極大,另外道路上的車輛本身擁有一定的速度,一旦被落石砸中,極其容易造成不可挽回的悲劇。
例如,2014年7月23日傍晚,高海公路往??诜较? km處距離暉灣收費(fèi)站1 km路段,發(fā)生山體掉落滾石事故,部分落石損壞了路面和護(hù)欄,所幸沒有人員傷亡。
由圖1可以看出,落石對(duì)路面造成了極大的傷害,如果砸中過往車輛,將會(huì)造成不可挽回的悲劇。
事實(shí)上,通過理論計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),落石在重力加速的作用下,抵達(dá)路面時(shí)速度十分驚人,此時(shí)落石給予下方物體的荷載并非等于物體的重力大小,而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其重力。
具體關(guān)系為重力G乘以動(dòng)荷載系數(shù)kd。其中kd的計(jì)算如式(1)所示:
(1)
式中:h——落石自由落體的高度;
dst——落石靜載時(shí)下方物體表面下沉位移。
由式(1)可以發(fā)現(xiàn)kd隨著落石下落高度的增加而變大,隨著下方物體的剛度增大而增大。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明,該系數(shù)通??梢赃_(dá)到20~30,甚至可以更大。
要解決該問題,首先就要對(duì)相應(yīng)的邊坡進(jìn)行加固處理,防止邊坡滑動(dòng)和滾下落石。但是即使采用了抗滑樁、錨索、格構(gòu)加固、注漿加固等加固形式,仍然不可避免的會(huì)出現(xiàn)局部地段有落石砸落到底面的情況,這些落石雖然通常體積較小,但是由于動(dòng)荷載系數(shù)的關(guān)系,仍然對(duì)地面建筑和車輛有很大的破壞力。
為了解決這個(gè)問題,就有必要建造抗落石廊道,對(duì)下方的道路和車輛起到保護(hù)作用,抗落石廊道不同于一般意義上的廊道,與旨在保護(hù)環(huán)境的生態(tài)廊道和單純?yōu)榱嗣阑L(fēng)景的景觀廊道不同,抗落石廊道的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于使其擁有優(yōu)越的力學(xué)性能,在保證下部空間不阻礙車輛通行的前提下,廊道結(jié)構(gòu)要能夠承受足夠的荷載并且位移變形在可接受范圍內(nèi)。所以此處的抗落石廊道結(jié)構(gòu)屬于大跨度空間結(jié)構(gòu),大跨度空間結(jié)構(gòu)是評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家建筑水平的重要標(biāo)準(zhǔn)??缍却缶蜁?huì)造成荷載不能直接傳遞到基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)要承受更大的彎矩,使得結(jié)構(gòu)的承載力降低。抗落石廊道的設(shè)計(jì)就必須要解決大跨度空間結(jié)構(gòu)滿足大跨度同時(shí)還要求高承載力的矛盾。
要達(dá)到這個(gè)效果,可以從三個(gè)方面來進(jìn)行處理:
首先,對(duì)容易發(fā)生落石危害的路段邊坡進(jìn)行特別加固,目前常用的有削坡卸荷、壓坡腳、坡面防護(hù)、抗滑樁、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、錨固洞、排水、擋墻、綜合加固法等方法。
其次,要合理選擇廊道側(cè)面曲線,抗落石廊道屬于大跨度空間結(jié)構(gòu),同時(shí)要保證上部可以承受主要荷載,就必須需求該廊道的結(jié)構(gòu)具有很好的荷載傳遞能力,將上部的荷載傳導(dǎo)到公路的地面,這類受力情況類似于橋梁的受力情況,但是在公路正中建造支柱不但影響美觀,更重要的是會(huì)占用公路的可使用空間,所以要保證上述的功能,最合適的廊道結(jié)構(gòu)應(yīng)該是拱結(jié)構(gòu)(拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說明)。除此以外,還要通過實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)選擇合適的橫截面,需要對(duì)矩形、工字形、T形、箱形和雙箱形截面等截面進(jìn)行比較,選擇最適用的截面,其分析結(jié)果不作贅述。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得該結(jié)構(gòu)不但擁有承載巨大上部荷載的能力,同時(shí)剛度也要足夠大,否則過大的位移會(huì)導(dǎo)致過往民眾心理上產(chǎn)生壓力,同樣不利于行車安全。
最后,單純的加強(qiáng)廊道結(jié)構(gòu)本身的承載能力畢竟成本較高,所以需要在廊道頂部設(shè)立消能措施,如果能夠大幅度減小落石抵達(dá)廊道頂部的動(dòng)能,就可以進(jìn)一步加強(qiáng)廊道的承載能力。具體思路是在廊道頂部鋪設(shè)彈性材料,使得落石在接觸廊道頂部后受到頂部材料變形產(chǎn)生的阻力,根據(jù)動(dòng)量守衡,F(xiàn)t=mv,在落石質(zhì)量和速度一定的情況下,因?yàn)榫彌_過程使二者接觸時(shí)間t增加,最后施加在廊道頂部的力可以大大減小,避免瞬間承受沖擊荷載過大,大幅提升了廊道的安全性。
綜上,要保證山地地區(qū)道路行駛安全,要從以下三個(gè)方面進(jìn)行努力:
1)對(duì)容易發(fā)生落石危害的路段邊坡進(jìn)行特別加固;
2)合理設(shè)計(jì)廊道的結(jié)構(gòu),特別是廊道側(cè)面及截面的選擇,保證廊道既有較大的強(qiáng)度,又有足夠的剛度;
3)在廊道頂部加設(shè)消能、緩沖構(gòu)件。
[1] 徐本安.材料力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1982.
[2] 丁 俊.西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的思考[J].沉積與特提斯地質(zhì),2006,26(3):16-17.
[3] 張博庭.西南地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)水電站建設(shè)安全性研究[J].水力發(fā)電,2009,35(5):6-14.
Overview on the design of mountainous anti-rockfall gallery system
Duan Hanfeng1Xu Yue1Ruan Xiaolong2Wang Jie2Li Jia2
(1.CollegeofBuilding&CivilEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China;2.CollegeofCivil&BuildingEngineering,PanzhihuaCollege,Panzhihua617000,China)
The paper analyzes slope structure instability, slope gravel and soil falling conditions in frequently-occurring earthquake area, puts forward joint system of combining slope protection and gallery resistance, and describes measures of guaranteeing driving safety on mountainous road, so as to prevent rockfall disaster.
rockfall, slope protection, gallery, energy-dissipating measures
2015-05-25
段寒風(fēng)(1992- ),男,在讀碩士; 胥 悅(1986- ),男,在讀碩士; 阮小龍(1987- ),男,助教; 汪 杰(1988- ),男,助教; 李 佳(1987- ),女,助教
1009-6825(2015)22-0149-02
U412.37
A